開路渦度協(xié)方差測量系統(tǒng)說明書.doc

開路渦度協(xié)方差測量系統(tǒng)說明書 作者： 李尚剛 單位： 北京天正通工貿(mào)有限公司 時間： 二OO三年四月二十五日目錄一、概述二、安裝三、接線四、程序五、程序邏輯控制及鍵盤操作六、通信及數(shù)據(jù)下載七、數(shù)據(jù)質量診斷及系統(tǒng)維護一、概述 系統(tǒng)由CR5000數(shù)據(jù)采集器、CSAT3超聲風速儀、LI7500 CO2/H2O分析儀和一個1G的PC卡組成。CR5000控制測量、運算及數(shù)據(jù)存儲；CSAT3測量三維風速和超聲虛溫；LI7500測量CO2、H2O和大氣壓力。 除了LI7500功耗較大外（12VDC，1A），其它儀器的功耗均較小。 CSAT3、LI7500以SDM方式輸出。CR5000數(shù)據(jù)采集器有2M內(nèi)存。系統(tǒng)工作時計算在線通量，并存貯通量數(shù)據(jù)和時間系列數(shù)據(jù)。用戶獲取時間系列數(shù)據(jù)后，可另行計算通量。 數(shù)據(jù)采集器及各傳感器工作溫度范圍如下： CR5000 數(shù)據(jù)采集器 -25 +50 CSAT3 超聲風速儀 -30 +50 LI7500 CO2/H2O分析儀 -25 +50 SanDisc PC卡 -40 +80 有的傳感器若經(jīng)過低溫測試，工作溫度范圍可以擴展。普通PC卡工作溫度范圍為0 +60。二、安裝 CSAT3、LI7500等傳感器安裝在塔或三角塔上。這些傳感器都配有專用的安裝支架，安裝高度依研究者目的而定。 CSAT3探頭朝向主風向，先大致擰緊萬向節(jié)，用內(nèi)六角固定好支架，高度確定后，再調節(jié)超聲風速儀的水平泡居中，用扳手稍微擰松萬向節(jié)，注意要拿穩(wěn)超聲探頭的尾部，調節(jié)水平泡居中，擰緊萬向節(jié)。 LI7500探頭稍傾斜，以便降雨時水滴能方便滑落，建議LI7500與CSAT3的感應面選在同一高度，相距20至30cm。 CR5000數(shù)據(jù)采集器 與/或 電池等置于機箱中。機箱體積較大，為避免對風場形成較大影響，機箱應離傳感器一定距離，并位于傳感器的主風向下方。 警告：如果是鉛酸電池，則機箱不要密封死，否則有爆炸的危險。三、接線 CR5000 數(shù)據(jù)采集器 供電及接地 12V - 12V（外部供電） G - G 接地 - 大地 CSAT3 超聲風速儀： 綠 - SDM-C1 白 - SDM-C2 棕 - SDM-C3 黑 - G 透明 - G CSAT3 供電 紅 - 12V 黑 - G 透明 - G LI7500 CO2/H2O 分析儀： 灰 - SDM-C1 藍 - SDM-C2 棕 - SDM-C3 黑 - G 白 - G LI7500 供電（單獨供電，1安培） 紅 - 12V 黑 - G 透明 - G 接地 - 大地 整個系統(tǒng)應由12VDC，70Ahr的電池供電，由12V10A浮充充電器或160W太陽能板對電池充電。 標有接地標志的儀器應接地良好。 如果不使用某種傳感器，則該傳感器的連接通道閑置，其它傳感器的接線不變，并在數(shù)據(jù)采集器中使用相應的程序。 四、程序 程序名 傳感器配置 1EC_csat3.CR5 CR5000、CSAT3 2OPEC_default.CR5 CR5000、CSAT3、LI7500 每個程序的執(zhí)行間隔10Hz，輸出實時數(shù)據(jù)（10Hz），保存在ts_data表格中；和在線通量（每30分鐘），保存在flux表格中。8變量說明 單位符號描述 C 攝氏度 g 克 kPa 千帕 m 米 mg 毫克 s 秒 W 瓦特 V 伏特“ts_data”表格 “ts_data”表格中包含了CSAT3和LI-7500的原始測量，并且對數(shù)據(jù)做了同步處理。 變量符號描述 Ux(1) 水平風速（x-軸）m / s Uy(1) 水平風速（y-軸）m / s Uz(1) 垂向風速 m / s co2(1) 二氧化碳絕對密度 mg / m3 h2o(1) 水蒸氣絕對密度 g / m3 Ts(1) 超聲虛溫 C press(1) LI-7500 系統(tǒng)壓力 kPa diag_csat(1) CSAT3 診斷值 unitless 在其它的程序中，如果沒有配置某個傳感器（例如LI-7500），則“ts_data”時間系列數(shù)據(jù)表格中就不包含相應的變量輸出?！癴lux”表格 下面是“flux”表格中的輸出及相應描述： 變量符號描述Fc_wpl 經(jīng)過WPL變換的二氧化碳通量 mg / m2 sLE_wpl 經(jīng)過WPL變換的潛熱通量 W / m2Hs 用超聲虛溫計算得到的顯熱通量 W / m2tau 動量通量 kg / m s2u_star 摩擦風速 m / sFc_irga 未經(jīng)過WPL修正的二氧化碳通量 mg / m2 sLE_irga 未經(jīng)過WPL修正的潛熱通量 W / m2co2_wpl_LE 二氧化碳通量WPL變換的潛熱修正項 mg / m2 sco2_wpl_H 二氧化碳通量WPL變換的顯熱修正項 mg / m2 sh2o_wpl_LE 潛熱通量WPL變換的潛熱修正項 W / m2h2o_wpl_H 潛熱通量WPL變換的顯熱修正項 W / m2cov_Uz_Uz(1) 垂直風速的方差 (m / s)2cov_Uz_Ux(1)垂直風速和水平風速Ux的協(xié)方差 (m / s)2cov_Uz_Uy(1)垂直風速和水平風速Uy的協(xié)方差 (m / s)2cov_Uz_co2(1)垂直風速和二氧化碳密度的協(xié)方差 mg / m2 scov_Uz_h2o(1)垂直風速和水蒸氣密度的協(xié)方差 g / m2 scov_Uz_Ts(1)垂直風速和超聲虛溫的協(xié)方差 m C / scov_Ux_Ux(1)水平風速Ux的方差 (m / s)2cov_Ux_Uy(1)水平風速Ux和Uy的協(xié)方差 (m / s)2cov_Ux_co2(1)水平風速Ux和二氧化碳密度的協(xié)方差 mg / m2 scov_Ux_h2o(1)水平風速Ux和水蒸氣密度的協(xié)方差 g / m2 scov_Ux_Ts(1)水平風速Ux和超聲虛溫的協(xié)方差 m C / scov_Uy_Uy(1)水平風速Uy的方差 (m / s)2cov_Uy_co2(1)水平風速Uy和二氧化碳密度的協(xié)方差 mg / m2 scov_Uy_h2o(1)水平風速Uy和水蒸氣密度的協(xié)方差 g / m2 scov_Uy_Ts(1)水平風速Uy和超聲溫度的協(xié)方差 m C / scov_co2_co2(1)二氧化碳密度的方差 (mg / m3)2cov_h2o_h2o(1)水蒸氣密度的方差 (g / m3)2cov_Ts_Ts(1)超聲虛溫的方差 C2Ux_Avg(1) 水平風速Ux均值 m / sUy_Avg(1) 水平風速Uy均值 m / sUz_Avg(1) 垂直風速均值 m / sco2_ Avg(1) 二氧化碳密度均值 mg / m3h2o_ Avg(1) 水蒸汽密度均值 g / m3Ts_ Avg(1) 超聲虛溫均值 Cpress_Avg(1)大氣壓均值 kParho_a_Avg(1)空氣密度均值 kg / m3h2o_hmp_Avg(1)由HMP45C得到的水蒸氣密度均值g / m3t_hmp_Avg(1) 由HMP45C得到的空氣溫度均值Crh_hmp_Avg(1) 由HMP45C得到的空氣相對濕度均值fractione_hmp_Avg(1) 由HMP45C得到的水蒸氣分壓均值kPawnd_dir_compass(1)羅盤坐標系下的風向方位角 degreeswnd_dir_csat3(1)CSAT3坐標系下的風向角度 degreeswnd_spd(1) 平均水平風速 m / srslt_wnd_spd(1) 矢量合成水平風速 m / sstd_wnd_dir(1)合成風向的標準偏差 degreesn_Tot(1) 參與統(tǒng)計的樣本總數(shù)（通量，協(xié)方差，均值等）samplescsat_warning_Tot(1)CSAT3警告的總次數(shù) samplesirga_warning_Tot(1)LI-7500警告的總次數(shù) samplesdel_T_f_Tot(1)CSAT3虛溫溫度差警告總次數(shù) samplestrack_f_Tot(1)CSAT3信號鎖定警告總次數(shù) samplesamp_h_f_Tot(1)CSAT3信號放大高警告總次數(shù) samplesamp_l_f_Tot(1)CSAT3信號放大低警告總次數(shù) sampleschopper_f_Tot(1)LI-7500斷路器警告總次數(shù) samplesdetector_f_Tot(1)LI-7500檢測器警告總次數(shù) samplespll_f_Tot(1) LI-7500相位鎖定循環(huán) samplessync_f_Tot(1) LI-7500同步警告總次數(shù)samplesagc_Avg(1) LI-7500AGC均值 unitlessbatt_volt_Avg(1)電池電壓均值 Vpanel_temp_Avg(1) 面板溫度均值 C 在其它的程序中，如果沒有配置某個傳感器（例如LI-7500），則“flux”通量數(shù)據(jù)表格中就不包含相應的變量輸出及與此變量有關的輸出。 在EC_csat3.cr5中，由于沒有氣壓傳感器，因此Rho_a_Avg(1)和h2o_hmp_Avg(1)等變量的計算用的是程序中預設的固定氣壓值。五、程序邏輯控制及鍵盤操作 開路程序提供了2個控制標志，一個是在線通量運算標志“save_flx_flag_on”，另一個是保存時間系列數(shù)據(jù)“save_ts_flag_on”。 如果“save_flx_flag_on”值為高（Yes，True,非0值）表示當前測量的時間數(shù)據(jù)記錄參與通量運算（計算相應時間間隔內(nèi)的協(xié)方差、均值等）；如果為低（No，F(xiàn)alse，0），表示當前記錄不參與通量運算，但通量數(shù)據(jù)表格（flux）仍會輸出通量記錄，其中通量數(shù)據(jù)為“NAN”，系統(tǒng)診斷信息如電池電壓、面板溫度等仍會輸出。 如果“save_ts_flag_on”值為高（Yes，True,非0值），表示保存當前實時數(shù)據(jù)系列；如果為低（No，F(xiàn)alse，0），表示不保存當前實時數(shù)據(jù)系列。 在默認情形下，“save_flx_flag_on”和“save_ts_flag_on”均為高，例如程序剛下載到CR5000數(shù)據(jù)采集器，或恢復供電，數(shù)據(jù)采集器會重新編譯程序，設置這2個標志為高。 程序設計了2個自定義菜單。用戶可以在鍵盤顯示器上通過這2個菜單查看或更改上述2個標志的值。 在某些情況下，例如系統(tǒng)維護時，用戶如果愿意不進行通量運算及不輸出實時數(shù)據(jù)系列，可手動設置這兩個標志為低，之后重新設置這2個標志為高。鍵盤顯示器 CR5000帶有液晶鍵盤顯示器，含超時功能。 程序剛下載到數(shù)據(jù)采集器后，編譯過程中，液晶顯示器會顯示“Compiling”；編譯成功后，如果PC卡槽中有卡，會顯示“Running”；如果沒有卡，會顯示“Warning”。超時后液晶顯示器關閉，用戶按壓鍵盤會激活顯示器。 隨著操作系統(tǒng)的更新，液晶顯示器的菜單有所變化。1.6版主菜單包括程序中自定義的菜單和系統(tǒng)菜單（“System Menu”）。按“Enter”鍵進入下一級菜單，按“ESC”鍵返回上一級菜單。 一級菜單包括背景光（Backlight）、數(shù)據(jù)（Data）、PC卡（PCCard）、文件（File）、狀態(tài)（Status）、設置（Configuration）等。1、背景光 打開或關閉背景光。2、數(shù)據(jù) 包括實時表格（Real Time Tables）、實時自定義（Real Time Custom）、最終存貯數(shù)據(jù)（Final Storage Data）、重設數(shù)據(jù)表格等（Reset Data Table）、繪圖設置（Graph Setup）等子菜單。 用戶可以進入“Real Time Tables”下面的Public下查看實時公共變量數(shù)據(jù)。這些變量是程序中用Public關鍵字指定的。 其它不建議使用。3、PC卡 包括取出卡（Remove Card）、格式化卡（Format Card）、活動表格狀態(tài)（Active Table Status）和卡狀態(tài)（Card Status）。 CR5000只支持16位格式（即FAT格式）的PC卡，可通過CR5000或PC機對PC卡進行格式化，格式化過的PC卡一般不需要重新格式化。 用戶每次取出PC卡，都應該先選擇“Remove Card”，數(shù)據(jù)采集器停止向PC寫數(shù)據(jù)，同時會顯示“Remove Card”，用戶取出卡后，字幕才會消失。 “Active Table Status”會顯示編譯后的PC卡中定義的各個表格的一些信息，例如表格大小、已寫入記錄數(shù)、填充模式、估計填充時間等。 如果在往PC卡中寫數(shù)據(jù)，“Card Status”下會顯示： PC Card Status: Battery OK 5Volt Card WP Disabled4、文件 可以通過此菜單操作數(shù)據(jù)采集器CPU和PC卡中（此時PC卡在CR5000的卡槽中）的程序文件（*.CR5）。5、狀態(tài) 包含操作系統(tǒng)版本（OSVersion）、站名（Station Name）、當前程序名（Program Name）、開始運行時間（StartTime）、電池電壓（Battery）等信息。6、設置 包括調節(jié)對比度、設置時間/日期、安全、激活RS232超時、顯示器超時設置、關閉數(shù)據(jù)采集器等。 CR5000的1.4版操作系統(tǒng)的主菜單為上述一級菜單，還包括“Custom”（自定義菜單）。 六、通信及數(shù)據(jù)采集 CR5000數(shù)據(jù)采集器控制整個系統(tǒng)的測量及數(shù)據(jù)存儲。用戶用PC機與CR5000通信。CR5000有CS/IO 與RS232兩個通信接口?？梢杂卸喾N通信方式。 一般使用CR5000的RS232口與PC的串口直接連接。 在PC中安裝數(shù)據(jù)采集器支持軟件LoggerNet。 初次建立PC機與CR5000之間的通訊之前需要進行設置。 用一普通RS232通信線連接CR5000的RS232口與PC的串口。 在PC上打開LoggerNet，單擊“Setup”圖標，在彈出的窗口中添加通信端口（Add Root），往網(wǎng)絡圖中添加一個CommPort（PC機的串口），如果有則不用添加；在右側的“Comm Port Connection”組合框中選擇串口號，一般為Com1。其它為默認設置。 在網(wǎng)絡圖中選中CommPort，在其下面添加（Add）一個CR5000數(shù)據(jù)采集器。 在網(wǎng)絡圖中選中CR5000，在右側的hardware標簽下，設置通訊端口的“Max Baud Rate”（最大）為19200或9600。 單擊窗口底部的“Apply”以應用剛才所做的設置。 回到LoggerNet主界面，單擊“Connect”。在連接窗口中，選取CR5000，單擊“Connect”按鈕，等連接成功后，按鈕文字會變?yōu)椤癉isconnect”。將程序導入（“Send”按鈕）數(shù)據(jù)采集器中，數(shù)采編譯成功后即開始工作。初次編譯或CR5000重新供電時卡槽中應有PC卡。 CR5000 1.4 版操作系統(tǒng)支持長文件名，1.6 版操作系統(tǒng)不支持長文件名，除去擴展名外，最長8個字符。例如，文件“OPEC_7500.CR5”下載到采集器里面，變?yōu)椤癘PEC_750.CR5”。 CR5000內(nèi)有128K的內(nèi)存專門用來存貯程序。通信方式導入CR5000的程序只會覆蓋已有的同名程序文件，不會刪除其它程序文件；如果剩余空間不夠，則往CR5000導入程序不會成功。 可通過鍵盤顯示器對CR5000中的程序文件進行操作，在“File”菜單下面，可編輯、刪除、設置程序啟動選項、CPU與PC卡之間相互拷貝程序等 如果通過“Connect”窗口的“Collect Now”（當前采集）按鈕采集數(shù)據(jù)，除了保證上述通訊設置正常外，還要設置其它一些選項。 回到“Setup”窗口，在網(wǎng)絡圖中選中CR5000，再選擇“Data Files”標簽，單擊下面的“Get Table Definitions”，收到表格定義后，數(shù)據(jù)表格圖會顯示所有的表格，帶有綠色“”標記表示該表格要輸出。鼠標左鍵雙擊某表格會使其標記在“”和“”之間切換。 選擇表格圖要輸出的表格，右側顯示相應的輸出文件名及路徑、輸出選項（“File Output Option”）和輸出格式（“Output Format”），建議選擇輸出選項為添加到文件尾（“Append to End of File”），和輸出格式為TOA5（“ASCII,TOA5”）。 重新單擊窗口底部的“Apply”以應用所做的更改。 回到LoggerNet主界面，單擊“Connect”。在連接窗口中，如果已與CR5000連接成功，當前采集（“Collect Now”）按鈕會激活，左鍵單擊就會按設置的選項從數(shù)據(jù)采集器中采集數(shù)據(jù)。 通訊下載數(shù)據(jù)還包括定制下載（“Custom Collection”）方式。 定制下載（“Custom Collection”按鈕）重新調整設置。它不影響當前下載的設置。定制下載的優(yōu)點之一是可選擇采集全部數(shù)據(jù)。 還可從PC卡直接拷貝數(shù)據(jù)表格。 對于通量數(shù)據(jù)，由于其容量不大，可通過通訊采集或從PC卡直接拷貝。對于實時數(shù)據(jù)系列，由于其容量太大，建議從PC卡直接拷貝。 經(jīng)常用到的數(shù)據(jù)格式有TOA5、TOACI1、TOB1和TOB2。 TOA5和TOACI1都是ACSII碼文本格式，都包括表頭區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)。表頭區(qū)顯示的是系統(tǒng)信息和數(shù)據(jù)信息，TOA5的表頭區(qū)4行，TOACI1的表頭區(qū)2行。 TOB1和TOB2都是二進制格式，也分為表頭區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)。 用戶可選擇通訊下載的數(shù)據(jù)格式為TOA5、TOACI1或TOB1，建議用TOA5文本格式；TOB2是存貯在PC卡中的數(shù)據(jù)格式，可拷貝到PC機上，再將其轉換為ASCII碼文本（TOA5）或TOB1格式。 當PC卡處在活動狀態(tài)時取出它，會導致垃圾數(shù)據(jù)，并且容易損壞PC卡。用戶每次取出PC卡，須通過菜單進行。將PC卡插入CR5000的卡槽后，應回到菜單檢查PC卡的狀態(tài)，以免數(shù)據(jù)采集器沒有往PC卡寫數(shù)據(jù)。當PC還處在活動狀態(tài)時，千萬不要切斷CR5000數(shù)據(jù)采集器的電源。 如果CR5000中沒有程序運行，或者運行的程序不使用PC卡，那么往PCMCIA卡槽中插入PC卡，不會引起CR5000的響應。當一個新程序編譯后，要往PC卡中發(fā)送數(shù)據(jù)，CR5000會檢測卡槽中是否有卡，且卡中是否有足夠的空間分配給數(shù)據(jù)表格。 當運行的程序要發(fā)送數(shù)據(jù)到PC卡，且一個PC卡插入卡槽中，CR5000會檢測卡，并顯示相應消息。 如果卡中沒有與程序創(chuàng)建的同名的數(shù)據(jù)表格，顯示消息： New Card. Start Storing? 新卡。開始存貯數(shù)據(jù)？ No 否 Yes 是 如果卡中存在與程序所創(chuàng)建數(shù)據(jù)表格相匹配的表格，則顯示消息： Tables on Card Must be Reset. Proceed?卡中表格必須重置。是否繼續(xù)？ No 否 Yes 是 Same Card 同一張卡 “No”選項（不開始往PC卡存貯數(shù)據(jù)）讓CR5000檢查PC卡，并擦除文件，或者，如有必要則格式化PC卡。 “Yes”選項立即往PC卡存貯數(shù)據(jù)，重置卡中任何同名表格。該選項通常應用在插入一張空白的但格式化過的卡時，或者卡中的數(shù)據(jù)已經(jīng)傳送到PC機上，重新插入。 “Same Card”選項只能應用在卡中的數(shù)據(jù)表格表頭與程序完全匹配，且程序已經(jīng)對PC卡操作過的情況。該選項允許你取出PC卡讀數(shù)據(jù)，再放回CR5000中，程序將新數(shù)據(jù)添加到卡中已有的數(shù)據(jù)的后面。當你選擇該選項時，應該明確，如果當卡取出后時間過久，新數(shù)據(jù)會覆蓋CR5000上2M內(nèi)存中的最早的記錄，則卡中的數(shù)據(jù)會不連續(xù)。 為防止出現(xiàn)PC卡中沒有數(shù)據(jù)或沒有生成通量數(shù)據(jù)等異常情況，插入PC卡后，應檢查以下步驟： 1）LED指示燈先快速閃爍，后慢速閃爍； 2）Menu | PC Card | Card Status，檢查PC卡狀態(tài)； 3）Menu | PC Card | Active Table Status，檢查定義的PC卡中數(shù)據(jù)表格的相關信息，看填充記錄數(shù)（“Record”）是否在刷新，特別是ts_data表格； 4）在Custom菜單下，或Menu | Data | Real Time Tables的Public表格中，檢查“save_flx_flag_on”和“save_ts_flag_on”2個標志是否均為高（YES、TRUE 或 -1），如果為低，則設為高。七、數(shù)據(jù)質量診斷及系統(tǒng)維護 如果應用數(shù)字式（SDM或RS232）輸出，CSAT3和LI7500都可返回診斷值。但是如果以模擬量方式輸出，則沒有數(shù)據(jù)診斷輸出。 可以在時間系列數(shù)據(jù)表格（ts_data）和通量數(shù)據(jù)表格（flux）中查看CSAT3的診斷信息。診斷值及其含義如下： 診斷值（diag_csat） 含義 NaN或-99999 CSAT3沒有響應 61440 丟失觸發(fā) 61503 沒有可用數(shù)據(jù) 61441 SDM通信錯誤 下面4個診斷標志為低（值為0）時表示正常，為高（值為1）時表示測量異常。 del_T_f CSAT3的三個非正交軸之間的聲速差大于2.360 m/s（25時測得的溫度差大于4） track_f 追蹤（信號鎖定）弱 amp_h_f 超聲信號放大太高 amp_l_f 超聲信號放大太低 這4個診斷信息會綜